基于染料激光器的大气二氧化氮差分吸收激光雷达探测

摘要

大气二氧化氮(NO2)是影响大气环境质量的污染物。工业的快速发展，汽车保有量的增加和生物质的燃烧等是大气NO2的排放源，对居住在地球表面的人类健康有重要影响。研究差分吸收激光雷达主动遥测大气NO2技术，准确可靠地探测近地面NO2分布，在气候变化、环境保护、环保执法等领域具重要学术意义和应用价值。
　　本论文论述了大气中二氧化氮的性质以及在大气中分布的基本特点，对差分吸收激光雷达探测气体成份原理进行了介绍;结合探测指标，论文仿真了基于染料激光探测大气NO2的回波信号，设计了以固体激光器泵浦染料激光器的方式来产生探测所需的波长和能量;研制了测量大气NO2的差分吸收激光雷达系统，解决了系统中与SO2通道的多光束合束发射、多波长回波信号区分等问题;编写了数据反演软件，充分发挥差分吸收激光雷达多波长、可调谐的特点，采用多波长联合反演算法来修正气溶胶的影响;在合肥、淮南和羊八井等地对实际大气NO2的水平和垂直分布进行了实验观测，获得和分析了实验观测数据，与官方发布的大气NO2数据进行对比分析，两者数据吻合较好，验证了NO2观测数据的有效性;最后分析了系统探测大气NO2的测量精度和误差。观测实验结果表明:NO2差分吸收激光雷达系统观测的大气NO2空间分辨率15米、有效距离远达3km和测量精度±5ppb，系统稳定可靠。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究目的和意义

1．1．1 二氧化氮的危害

1．1．2 二氧化氮的排放现状

1．1．3 课题的研究目的和意义

1．2 二氧化氮测量方法

1．2．1 二氧化氮的化学测量方法

1．2．2 二氧化氮的光学测量方法

1．3 差分吸收激光雷达技术国内外研究现状

1．4 本文主要研究内容

第2章 激光雷达大气探测原理概述

2．1 激光与大气介质的相互作用

2．1．1 瑞利散射

2．1．2 米散射

2．1．3 拉曼散射

2．1．4 荧光发射

2．1．5 吸收光谱

2．1．6 多普勒效应

2．2 激光雷达基本构成

2．2．1 激光发射单元

2．2．2 接收望远镜

2．2．3 后继光路单元

2．2．4 信号探测器

2．2．5 系统控制单元

2．3 差分吸收激光雷达原理

2．3．1 激光雷达方程

2．3．2 差分吸收激光雷达

第3章 探测二氧化氮激光雷达性能模拟

3．1 拉曼散射激光雷达探测污染气体的最小检测浓度

3．2 二氧化氮差分吸收激光雷达的光源设计

3．2．1 差分吸收激光雷达光源波长的选择

3．2．2 系统光源的脉冲能量

第4章 探测大气二氧化氮差分吸收激光雷达系统

4．1 差分激光雷达研制的主要技术

4．2 测污差分吸收激光雷达系统结构及配置

4．3 二氧化氮差分吸收激光雷达系统主要组件

4．3．1 二氧化氮差分吸收激光雷达光源系统

4．3．2 双探测波长光束的合束

4．3．3 探测波长光束的扩束

4．3．4 发射与接收扫描系统

4．3．5 回波信号接收系统

4．3．6 后继分光及滤波系统

4．3．7 光电转换及信号采集系统

4．3．8 时序控制单元

4．3．9 方舱及其附属配件

4．4 差分吸收激光雷达的软件系统

第5章 二氧化氮差分吸收激光雷达的实验观测

5．1 差分吸收激光雷达测量步骤

5．1．1 激光器的准备工作

5．1．2 发射和接收系统光学组件的调整

5．1．3 信号采集系统的参数设定

5．1．4 扫描系统的参数设定

5．2 实验观测数据的初级处理

第6章 二氧化氮差分吸收激光雷达的浓度反演

6．1 差分吸收激光雷达原始信号的预处理

6．1．1 原始信号累加和背景扣除

6．1．2 回波信号平滑

6．1．3 几何因子校正

6．2 Klett--DIAL气溶胶修正NO2浓度反演

6．3 基于双弱吸收波长回波的气溶胶修正浓度反演

6．4 基于三波长测量的气溶胶修正NO2浓度反演

6．5 差分吸收激光雷达波长和功率波动对浓度反演的影响

6．5．1 波长波动对浓度反演的影响

6．5．2 功率漂移对探测浓度及距离的影响

6．5．3 波长漂移和能量波动对反演浓度影响的实验

6．6 差分吸收激光雷达浓度测量误差分析

6．6．1 统计误差

6．6．1 系统误差

第7章 总结和展望

7．1 本论文主要完成了以下工作

7．2 论文的主要创新点

7．3 论文存在的不足及展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果